2030年世界能源结构中煤炭、油气、核能和可再生能源可能三分天下；到2050年，化石能源与可再生能源有望各占半壁江山。
一、能源结构面临转变
为应对气候变化，世界能源结构正在酝酿巨变。专家预测，2020年—2050年全球将发生第三次能源结构转型——借助能源科技全面突破，实现大部分化石能源向可再生能源转型。
从19世纪开始工业化进程以来，人类已经历两次能源结构转型。第一次转型始于19世纪，由以薪柴为主的可再生能源转向煤，主要由蒸汽机的发明和推广应用以及有机化工的发展促成；第二次转型始于20世纪初的20年间，从煤转向石油，主要推动力是燃料汽车、飞机及石油化工替代传统煤化工。2009年12月《哥本哈根协议》共识确定的长期目标是：在世界能耗总量比2005年增长60%的同时，二氧化碳排放量减少2/3。为此，人类必须通过加速发展非化石能源，把煤和石油消耗从占一次能源的65%降至40%，并把80%煤炭释放出的二氧化碳捕集和封存（CCS）起来。与前两次能源结构转型不同的是，这次能源结构转型不是简单地由化石能源回归可再生能源，而是借助能源科技全面突破，推动经济增长方式的转型。
二、影响能源结构转变的因素
据专家推算，能源结构逆转的时间和方式取决下列因素：
一是煤在一次能源中比例能否维持在30%。煤是资源总量最多、预期使用年限最长、开采成本最低的化石能源。只要碳捕捉（CCS）技术突破使煤炭成本增加不太多，以煤气化多联产为主流路线的煤仍能保持竞争力。
二是核能及可再生能源发电成本将随着科技进步而逐步降低，加上煤的使用成本增加，预计太阳能发电、风电、核电等成本与煤电成本持平。核能及可再生能源发电量占一次能源的比重从12%增加到48%，总量从18.5亿吨标准煤/年增加到108亿吨标准煤/年。
三是天然气剩余可采储量和预期使用年限低于煤而高于石油，考虑非常规天然气和天然气水合物等资源，则远超过煤。天然气在采用冷热电联供系统（CCHP）技术条件下，二氧化碳排放只有煤和石油的1/4，而其国际贸易价格是等热值石油的70%。除无法完全替代石油用于交通和有机化工外，天然气作为燃料在经济、能效、碳排放3个指标上都优于石油。
四是非常规天然气开发和天然气水合物开采、利用和生态影响等方面的技术进步，将是影响世界能源走势的重要因素。如果未来各种天然气利用的经济性和生态效益超过煤和可再生能源，那么在2035年前后，天然气能耗量将超过煤炭。
五是资源有限性和碳排放硬约束，是抑制石油消费的根本和长远因素。交通科技和有机化工替代在美国、中国和印度的进展，决定石油消费以何种速率减退。只要《哥本哈根协议》共识付诸行动，石油消费就不大可能继续增长。长远来看，交通科技的突破，有可能导致石油完全退出而仅用于有机化工原料。
三、科技突破奠定能源结构转型基础
历史上两次能源结构转型主要是由终端需求变化和科技突破相互结合促成的。当前第三次转型，虽然最主要的动因是气候变化和碳减排压力，但也离不开终端需求变化和科技突破的相互作用。从已有的基础和当前迫切的需求来看，未来10年到20年可能取得突破的领域有：
一是核能与可再生能源技术。其中，基础较好、近期能够大规模应用的核裂变发电技术（包括安全控制和电网配套系统技术）、太阳能光伏、光热发电技术和生物燃料产业链配套技术，一旦技术进步使其发电成本能够与传统煤电竞争，这些产业就会大规模发展起来。
二是碳捕捉（CCS）技术的突破。三种化石能源中，煤和石油是主要的碳排放源。石油经加工后，以其有机化工产物形式所排放的二氧化碳极其分散，捕集和封存规模小、成本高。煤则不然，随着天然气的推广，煤将大规模应用于发电和水泥生产等领域。这使得煤炭无论在燃烧前还是燃烧后开展碳捕捉（CCS）都有规模效应。
三是交通组织和用能模式系统技术进步。交通能源有几种路线选择，它们之间的竞争涉及各种能源技术突破。例如，充电电池技术突破有可能彻底改变机动车传统燃料的历史，液化天然气和生物燃料有可能完全替代传统航空燃料。
四是气体能源技术进步。地层深处无机成因的天然气，包括美国快速发展的页岩气和致密砂岩气以及海底和陆上冰川中的天然气水合物，其开采和利用技术一旦突破，将改变对煤CCS利用、核能和可再生能源与天然气三者之间的关系。